COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
‘
Análise do Comportamento das Provas de Carga Estáticas em
Estacas Tipo Hélice Contínua através da Curva Carga Recalque
Isabella Barbalho Santini Batista
SoloSSantini, Recife, Brasil, [email protected]
Roberto Quental Coutinho
Universidade Federal de Pernambuco, Recife, Brasil, [email protected]
Filipe Carnib Freire
Universidade Federal de Pernambuco, Recife, Brasil, [email protected]
RESUMO: Este artigo contempla a comparação de resultados de duas provas de carga estáticas em
estacas do tipo hélice contínua executadas em bairros distintos na cidade de Natal, Rio Grande do
Norte. As duas obras apresentam perfis de sondagens similares e características distintas em relação
ao carregamento, um dos ensaios de prova de carga atingiu um carregamento máximo de
6.453,5kN, enquanto o outro atingiu um carregamento de 2.611,0kN. Este trabalho apresentará a
metodologia executiva dos ensaios das provas de carga e serão comparados os resultados de
capacidade de carga e recalque através da curva carga recalque. Neste estudo também contemplará
a estimativa de carga de ruptura através do método de Van der Veen, dos conceitos da norma
brasileira de fundações e do método da rididez proposto por Décourt (1996). Ainda utilizando este
método, será avaliado a separação das parcelas de ponta e atrito lateral dos ensaios mencionados.
PALAVRAS-CHAVE: Atrito Lateral, Resistência de Ponta, Estaca Hélice Contínua, Prova de
Carga Estática.
1
INTRODUÇÃO
2
A prova de carga estática é um ensaio do tipo
“tensão x deformação” realizado no solo,
estudado para receber solicitações em um
elemento estrutural de fundação construído para
a obra ou especialmente para ser testado. Os
ensaios realizados são utilizados principalmente
como verificação de desempenho de um
elemento estrutural de fundação, quanto à
ruptura e recalques. São também realizados para
fins de estudos, pesquisas ou projetos.
Este artigo apresentará a metodologia
executiva de dois ensaios de prova de carga,
depois serão comparados os resultados de carga
e recalque dos ensaios através da curva carga
recalque e valores de carga de ruptura por três
métodos e por fim, analisará a separação das
parcelas de ponta e de atrito lateral pelo método
da rigidez proposto por Décourt, 1996.
MÉTODO EXECUTIVO
A metodologia normatizada no Brasil para as
provas de carga estáticas trata basicamente de
aplicar cargas conhecidas ao solo, através de
um elemento estrutural de fundação ou de uma
placa metálica apoiada no solo, medindo-se as
deformações e deslocamentos daí decorrentes.
Esta placa atua como modelo reduzido da
base de uma fundação. O elemento de fundação
ensaiado pode ser uma sapata, um bloco, uma
estaca ou conjunto de estacas associadas de
qualquer tipo, ou um tubulão. As cargas
aplicadas devem representar da melhor forma
possível, as solicitações previstas quando em
operação, sejam elas verticais, horizontais ou
inclinadas, de compressão ou de tração. São
divididas em estágios de carregamentos
sucessivos, que devem permanecer atuando
durante algum tempo. Cada estágio de carga é
mantido até que o controle dos recalques
correspondentes indique a estabilização, ou
seja, suas variações se tornem muito pequenas
1
COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
‘
ou nulas. De acordo com os critérios da norma
NBR 12131, a estabilização ocorre quando em
duas leituras sucessivas o recalque não excede
5% do recalque total observado no mesmo
estágio de carregamento.
O descarregamento é iniciado somente após
decorridas 12 horas de manutenção de carga
máxima de ensaio aplicada quando não ocorre a
ruptura. Também deve ser feito em estágios
com controle de deslocamentos até a
estabilização, porém com duração mínima de 15
minutos por estágio. Devem ser realizados pelo
menos quatro estágios de descarregamento.
As cargas são aplicadas, em geral, por meio
de macaco hidráulico calibrado, centradas em
relação ao eixo da fundação e sem provocar
choques e/ou vibrações durante o carregamento.
Em uma prova de carga sobre estaca, um bloco
de coroamento deve ser previamente
concretado, como elemento de transmissão de
cargas do macaco para o elemento de fundação.
Durante a realização da prova de carga
estática são medidas as cargas aplicadas e os
deslocamentos correspondentes da placa
metálica ou do elemento estrutural de fundação.
A medida das cargas aplicadas durante o ensaio
é feita através do manômetro que fornece a
pressão no sistema de acionamento do macaco
hidráulico. Os deslocamentos da placa ou do
topo do elemento de fundação na direção da
aplicação da carga são medidos por um ou dois
pares de extensômetros mecânicos, com
sensibilidade e leitura de 0,01 milímetro. Estes
extensômetros são posicionados diametralmente
opostos em relação ao ponto de aplicação da
carga e permitem calcular o deslocamento, bem
como alertar para a eventual ocorrência de
recalques diferenciais. As barras de referência
servem de apoio para os extensômetros,
exigindo cuidados especiais para que não
venham a falsear os resultados devido a sua
deformação ou movimentação.
Este artigo contemplará a comparação de
resultados de duas provas de carga vertical a
compressão realizadas em estacas do tipo hélice
contínua localizadas em terrenos nos bairros de
Petrópolis e Ponta Negra, respectivamente, na
cidade de Natal, Rio Grande do Norte.
2.1
Obra no Bairro de Petrópolis, Natal/RN
Este ítem relata dados da obra e resultados da
prova de carga estática a compressão realizada
em estaca Hélice Contínua, executada no
terreno onde foi construído o Edifício Issa
Hazbun, localizado na Av. Nilo Peçanha,
Petrópolis – Natal/RN.
2.1.1 Caracterização da área estudada
A caracterização da área estudada se deu
através de quatro furos de sondagem à
percussão, os resultados apresentados no ensaio
mostraram uma profundidade mínima de 18,0m
e máxima de 20,0m, todos os furos de
sondagem tiveram em sua descrição areia fina,
iniciando com SPT na ordem de três e atingindo
SPT de quarenta e seis aos 16,0m de
profundidade. Em nenhum dos furos de
sondagem realizados foi encontrado o nível
d’água. O furo de sondagem que melhor
representa as características do solo na estaca
estudada é o SP-02 que pode ser visto na
figura1.
Figura 1. Furo de Sondagem SP-02 na obra realizada no
bairro de Petrópolis.
2
COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
‘
2.1.2 Dados da Estaca
2.1.3 Execução da Prova de Carga
O elemento de fundação ensaiado é uma estaca
tipo Hélice Contínua, nomeada neste artigo de
EHC 01, apresenta um diâmetro de 800mm com
15,12 metros de comprimento, executada no dia
13 de julho de 2009, armada longitudinalmente
com 06 ferros de ø25.0mm aço CA-50 com
8,00 metros de comprimento e 73 estribos de
ø8.0mm aço CA-50 espaçados a cada 10cm. A
carga admissível de compressão projetada foi
de 3.200kN. Estes dados são apresentados
resumidamente na tabela 1 a seguir:
A prova de carga foi executada nos dias 23 e 24
de julho de 2009 na estaca localizada no centro
geométrico do bloco de fundação como pode
ser visto na figura 3. Para a execução da prova
de carga foi montado um sistema composto por
09 estacas cravadas no terreno, onde foram
ancorados 08 tirantes monobarra de 15,00m de
comprimento, tipo INCO-50D da INCOTEP,
instalados no fuste das estacas de reação. No
sistema utilizou-se um macaco hidráulico com
capacidade de 700tf e diâmetro igual a 0,40m
da PONTEMAC, com comandos acionados a
distância. A leitura das cargas foi feita através
de um manômetro acoplado à bomba de óleo. O
carregamento da prova de carga foi realizado
em estágios não superiores a 20% da carga de
trabalho e o descarregamento em estágios não
superiores 25% da carga de teste. As
deformações da prova de carga à compressão
foram medidas simultaneamente através de 04
(quatro) relógios comparadores (extensômetros)
sensíveis à 0,01mm, instalados diametralmente
opostos em relação a seção transversal da
estaca.
O tempo de aplicação das cargas foi de 30
minutos para os estágios de carga que tiveram
os recalques estabilizados e, quando necessário,
para os demais estágios a carga foi mantida até
a estabilização dos recalques, totalizando 11
estágios.
O
descarregamento
ocorreu
normalmente em estágios até atingir o
descarregamento total. A duração de cada
estágio no descarregamento foi de 15 minutos,
sendo que o último se concretizou no período
de 30 minutos. A prova de carga obedeceu
rigorosamente todos os procedimentos de
montagem e operação que descreve a Norma
Brasileira NBR-12131 da ABNT.
Tabela 1. Dados da Estaca
Durante o processo executivo da estaca é feito
um monitoramento eletrônico onde são
fornecidos dados como: torque, rotação,
velocidade, pressão do concreto, velocidade de
extração e o perfil estimado da estaca. Sendo
bem interpretados, estes dados trará uma maior
confiabilidade à execução da estaca. O
monitoramento da estaca EHC 01 pode ser visto
na figura 02.
Figura 2. Os Dados Técnicos da Estaca Ensaiada à
Compressão.
3
COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
‘
2.2
Obra no Bairro de Ponta Negra, Natal/RN
Este segundo ítem apresenta os dados da obra e
resultados da prova de carga estática a
compressão realizada em estaca tipo Hélice
Contínua, executada no terreno onde foi
construído Edifício Confort Suítes, localizado
na Rua das Conchas, Ponta Negra – Natal/RN.
2.2.1 Caracterização da área estudada
A caracterização da área estudada foi similar à
área no bairro de Petrópolis, através dos furos
de sondagem à percussão, porém apenas foram
realizados três furos de sondagem no terreno
estudado, mas todos se apresentaram muito
semelhantes. Os resultados mostram uma
profundidade máxima do ensaio de 14,0m e
apresentando em sua descrição apenas areia fina
com SPT nas primeiras camadas na ordem de
nove golpes e nas camadas mais profundas o
SPT chega a 60 golpes. Como em Petrópolis,
também nenhum dos furos de sondagem
realizados foi encontrado o nível d’água. O furo
de sondagem que melhor representa o solo
estudado nas proximidades da estaca estudada é
a sondagem SP-02 que pode ser visto na
figura5.
Figura 3. Locação da Estaca da Prova de Carga ECH 01
2.1.4 Resultados da Prova de Carga
Com base na curva carga x recalque, figura 4,
obtido com os resultados da prova de carga,
foram determinados os seguintes recalques para
a carga máxima de 6.453,5kN:
recalque
máximo de 33,348mm, recalque elástico de
4,653mm e recalque residual de 28,695mm,
apresentado na tabela 2.
Figura 4. Gráfico
compressão
CargaxRecalque
do
Ensaio
à
Tabela 2. Resultados da Prova de Carga.
Figura5. Furo de Sondagem SP-02 na obra realizada no
bairro de Ponta Negra.
4
COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
‘
2.2.2 Dados da Estaca
2.2.3 Execução da Prova de Carga
O elemento de fundação ensaiado é uma estaca
tipo Hélice Contínua, nomeada no artigo como
EHC 02, de diâmetro ø=500mm com 13,12
metros de comprimento, executada no dia 14 de
abril de 2009, armada longitudinalmente com
06 ferros de ø20.0mm aço CA-50 com 6,00
metros de comprimento e 28 estribos de
ø8.0mm aço CA-50 espaçados a cada 20cm. A
carga admissível de compressão projetada foi
de 1.300kN. Estes dados são apresentados na
tabela 3 a seguir.
A prova de carga foi executada nos dias 27 e 28
de abril de 2009 na estaca localizada no centro
geométrico do bloco de fundação como pode
ser visto na figura 7. Diferentemente do sistema
anterior, para a execução da prova de carga foi
montado um sistema composto por 07 estacas
cravadas no terreno, onde foram ancorados 06
tirantes monobarra de 12,00m de comprimento,
tipo INCO-35D da INCOTEP, instalados no
fuste das estacas de reação.
O procedimento para a realização do ensaio
foi similar ao descrito anteriormente e
atendendo dos os critérios da NBR 12131 da
ABNT.
Tabela 3. Dados da Estaca.
O monitoramento da estaca EHC 02 pode ser
interpretado pelo relatório técnico, figura 6,
fornecido pela empresa SOLOSSANTINI,
executora do projeto estudado.
Figura 7. Locação da Estaca da Prova de Carga.
2.2.4 Resultados da Prova de Carga
Com os resultados obtidos no ensaio foi traçado
o gráfico carga x recalque, representado na
figura 8, no ensaio foi obtido os seguintes
recalques para a carga máxima de 2.610,0kN:
recalque máximo de 13,628mm, recalque
elástico de 4,003mm e recalque residual de
9,625mm. Estes dados estão sintetizados na
tabela 4.
Figura 6. Os Dados Técnicos da Estaca Ensaiada à
Compressão
5
COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
‘
Outra análise que será abordada neste trabalho
é a separação da parcela de ponta e atrito lateral
através do conceito de rigidez proposto por
Décourt (1996), esta análise será abordada no
item 3.2 deste trabalho.
3.1 Determinação da carga de ruptura de
estacas através das curvas carga-recalque
3.1.1 Método de Van der Veen
Figura 8. Gráfico CargaxRecalque do Ensaio à
compressão.
Este método consiste em calcular a carga de
ruptura através de tentativas partindo de um
valor de carga Qu qualquer adotado, sendo
calculados os valores correspondentes equação
(1).
Q
y = ln (1 )
(1)
Qu
Tabela 4. Resultados da Prova de Carga.
3 INTERPRETAÇÃO
RECALQUE
DA
CURVA
CARGA
Segundo Décourt e Niyama (1994) é
recomendada a utilização deste método somente
quando as estacas não são de deslocamento, o
carregamento é monotônico e a carga máxima
do ensaio atinge pelo menos dois terço do valor
da carga de ruptura convencional.
Através dos resultados obtidos nas duas provas
de carga analisadas, uma no bairro de Petrópolis
e a outra no bairro de Ponta Negra, verificou-se
que elas apresentam comportamentos distintos
quando comparadas as curvas carga-recalque. A
prova de carga realizada no bairo de Petrópolis
apresentou uma curva carga-recalque mais
próximo de uma assíntota evidenciando que o
ensaio chegou próximo da carga de ruptura. Tal
análise foi constatada através das obtenções das
cargas de ruptura através de métodos utilizados.
Para o presente trabalho foram obtidas as cargas
de ruptura por três metodologias distintas que
serão abordadas no item 3.1 deste trabalho. Para
prova de carga realizada no bairro de Ponta
Negra, diferentemente da realizada no bairro de
Petrópolis, verificou-se que o comportamento
da curva carga-recalque apresenta um formato
linear, o que mostra que o ensaio não se
aproximou da carga de ruptura, também
constatado nos modelos proposto neste
trabalho.
Os dois ensaios obtiveram recalques bem
próximos, quando aplicado na carga de
trabalho. O ensaio realizado no bairro de
Petrópolis onde a carga de trabalho foi de
3.200kN apresentou recalque igual a 3,080mm
e o ensaio realizado no bairro de Ponta Negra
com carga de trabalho igual a 1.300kN
apresentou um recalque de 3,098mm.
3.1.2 Método da NBR 6122/96
O método proposto pela NBR 6122/96 define a
carga máxima da estaca em função do seu
diâmetro e do encurtamento elástico devido ao
carregamento. A carga de ruptura pode ser
determinada como aquela que corresponde na
curva carga-recalque ao recalque expresso pela
equação (2) proposta.
(2)
Onde:
∆r = recalque de ruptura convencional;
P = carga de ruptura convencional;
L = comprimento da estaca;
A = área da seção transversal da estaca;
E = módulo de elasticidade do material da
estaca;
D = diâmetro do círculo circunscrito à estaca.
6
COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
‘
3.1.3 Método da Rigidez (Décourt, 1996)
A representação gráfica para a obtenção da
carga de ruptura através do método da rigidez
para as estacas EHC 01 e EHC 02 será mostrada
nas figuras 12 e 13, respectivamente.
Este método se baseia no conceito de rigidez da
fundação, proposto por Décourt (1996). É
considerada uma maneira mais simples de
avaliar a ruptura convencional de fundações a
partir das curvas carga-recalque obtidas em
provas de cargas. Segundo o autor a rigidez de
uma fundação (R) é a relação entre a carga
aplicada (Q) sobre a fundação e o recalque (s)
sofrido pela mesma. A tendência geral para
qualquer tipo de fundação e de que a rigidez
diminua à medida que os recalques aumentem,
podendo assim dizer que a ruptura física ocorre
para uma carga correspondente a um valor de
rigidez nula como visto na expressão (2).
∞ (2)
Figura 11.Aplicação do método da rigidez para estaca
EHC 01.
A construção gráfica do método de Van der
Veen e do proposto pela norma NBR 6122/96
para a estaca EHC 01 é apresentado na figura 9
já o da estaca EHC 02 pode ser visto na figura
10.
Figura 12. Aplicação do método da rigidez para estaca
EHC 02.
Os resultados da aplicações dos três métodos
descritos para as duas provas de carga estudadas
são apresentados resumidamente na tabela 5.
Figura 9. Aplicação do método de Van der Veen e o
proposto pela Norma 6122/96 para estaca EHC 01.
Tabela 5. Resultados das cargas de ruptura pelos três
métodos.
Estaca
Carga de Ruptura (kN)
NBR
VDV
RIG
EHC 01
6.470
6.530,3
7.329,8
EHC 02
3.000
3.126,2
4.199,1
3.2 Separação das parcelas de ponta e atrito
lateral pelo método da Rigidez (Décourt, 1996)
Décourt, 1996 alerta a importância de uma
interpretação e execução bem feita das provas
de cargas e enfatiza sua importância,
Figura 10. Aplicação do método de Van der Veen e o
proposto pela Norma 6122/96 para estaca EHC 02.
7
COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
‘
especialmente em estacas escavadas, da
separação do atrito lateral (Qs) da reação de
ponta (Qp).
O método proposto pelo autor visa determinar
os valores aproximados de Qs, apresentando de
forma mais simples possível, de modo a
permitir que se atinjam os objetivos sem ter que
se recorrer a nenhuma formulação matemática
mais complexa. A metodologia consiste na
obtenção do domínio do atrito lateral, para tal
são utilizadas curvas obtidas através de
regressões que melhor se ajustem, ou seja,
aquela que apresente o maior R2.
A determinação gráfica da separação das
parcelas de ponta e de atrito lateral obtida no
bairro de Petrópolis pode ser visto na figura 11
com os valores de 4.042kN para atrito lateral, já
a do bairro de Ponta Negra será apresentado na
figura 12 o valor de atrito de 2.354kN. Os
resultados seguem na tabela a seguir:
a parcela de atrito lateral. Para a estaca EHC 02
o resultado mostra um percentual de atrito
lateral igual a 90%. Entende-se que a parcela de
ponta do caso EHC 01 foi maior devido ao
carregamento máximo ter sido muito próximo
da carga de ruptura, solicitando assim, mais do
elemento estrutural.
REFERÊNCIAS
ASSOCIAÇÃO
BRASILEIRA
DE
NORMAS
TÉCNICAS - ABNT (1996). Projeto e Execução de
Fundações: NBR 6122/96. Rio de Janeiro, 14p.
ASSOCIAÇÃO
BRASILEIRA
DE
NORMAS
TÉCNICAS - ABNT (2006). Estacas – Prova de
Carga Estática – Método de Ensaio: NBR 12131. Rio
de Janeiro/RJ.
Banco de Dados da SoloSSantini (2009): Relatório
Técnico de Prova de carga. Recife/PE.
Décourt, L.(2008). Provas de carga em estacas pode
dizer muito mais do que têm dito. SEFE VI. São
Paulo/SP.
Massad, Faiçal. Limites de extrapolação em provas de
Carga verticais, interrompidos prematuramente.
Procedings of X Brazilian Conference on Soil
Mechanics and Foudation Engineering. Vol.01.
Terzaghi, K. e Peck, R.B. (1987) Soil Mechanics in
Engineering Practice, 2nd ed., McGraw Hill, New
York, NY, USA.
Tabela 6. Resultados das parcelas de ponta e atrito lateral.
5
CONCLUSÃO
Este trabalho apresentou os resultados de duas
provas de carga na cidade de Natal/RN.
Analisou-se através da curva carga recalque os
recalques para as cargas máximas de 6.453,5kN
e 2.611,0kN. Nos dois casos, para a carga de
trabalho houve a semelhança dos recalques na
ordem de 3,0mm. Verificou-se também que os
resultados dos cálculos dos métodos utilizados
(método de Van der Veen, Norma 6122/1996 e
método da rigidez, Décourt, 1996) para analisar
a carga de ruptura foram muito semelhantes,
com o método da rigidez apresentando os
maiores resultados nas duas provas de carga
estudadas. Quando comparados aos resultados
dos ensaios foi analisado que a carga de ruptura
no primeiro caso chegou bem próximo a carga
máxima realizada no ensaio, cerca de 99%, no
segundo encontrou-se um percentual de 83%.
Para a análise de separação das parcelas de
ponta e de atrito lateral, foi estudado no mesmo
método proposto por Décourt, 1996 e através
dos cálculos realizados foi obtido para estaca
EHC 01 cerca de 63% da carga total se destina
8